一种长支臂薄腹板筒形锻件鼓形连皮仓主动控制金属流动成形方法

摘要

一种长支臂薄腹板筒形锻件鼓形连皮仓主动控制金属流动成形方法，它涉及一种长支臂薄腹板筒形类锻件成形方法，它包括：一、计算锻件所需原始坯料；二、镦粗制坯；三、镦拔制坯；四、终锻；五、将成形得到的锻件切除飞边和表面清洗后，得到长支臂薄腹板筒形锻件。本发明通过鼓形连皮仓主动控制金属流动，可以应用于主动精准控制形状复杂、截面形状变化大的长支臂薄腹板筒形锻件成形。

说明书

技术领域

本发明涉及一种长支臂薄腹板筒形类锻件成形方法，具体涉及一种通过鼓形连皮仓主动控制金属流动成形方法，从而避免此类锻件成形过程中极易出现的穿流、流线紊乱缺陷和型腔充填等问题。

背景技术

在航空航天领域，长支臂薄腹板筒形类锻件作为关键构件，对于构件的力学性能特别是疲劳性能要求极高，采用机械加工、模锻甚至普通等温锻的成形方法均无法得到力学性能特别是疲劳性能符合要求的构件。主要是由于此类构件在成形过程中金属的流动很难精准控制。长支臂薄腹板筒形锻件形状复杂，截面形状变化大，在成形过程中，需精准控制金属的流动。

如果筒形部分模锻初期金属过多，在模锻后期筒形部分充满后，金属会向长支臂方向和分模面远距离流动，剪断筒形部分与支臂部分交汇处的流线，产生严重的穿流问题，导致锻件的力学性能特别是疲劳性能降低30％以上，无法得到合格的锻件。如果筒形部分金属模锻初期金属过少，端口位置由于金属向长支臂方向和分模面流动阻力小，容易向该处流动，导致金属向筒底流动不足，出现充填不满，无法得到形状尺寸符合要求的锻件。

发明内容

本发明提出一种长支臂薄腹板筒形锻件鼓形连皮仓主动控制金属流动成形方法，为解决此类锻件成形过程中极易出现的穿流、流线紊乱缺陷和型腔充填问题。

一种长支臂薄腹板筒形锻件鼓形连皮仓主动控制金属流动成形方法，它包括：

一、计算锻件所需原始坯料：通过有限元数值模拟分析，获得成形最终锻件所需原始棒料；

二、镦粗制坯：将原始棒料加热至400℃-450℃后，在液压机上进行镦粗工序，坯料镦粗至一定高度；

三、镦拔制坯：将镦粗得到的坯料进行自由锻反复镦拔，得到设计要求的预成形毛坯；

四、终锻：对于长支臂薄腹板圆筒的等温模锻成形，在筒内有限型腔空间不能容纳多余金属外，增加鼓形连皮仓主动精确控制大量多余金属，在模锻后期使多余金属向鼓形连皮仓内流动，而不向长支臂方向和分模面流动，将圆筒与长支臂型腔填充饱满；

五、将成形得到的锻件切除飞边和表面清洗后，得到长支臂薄腹板筒形锻件。

本发明相比现有技术的有益效果：

本发明提出了一种长支臂薄腹板筒形锻件鼓形连皮仓主动控制金属流动成形方法，通过鼓形连皮仓主动控制金属流动，避免金属向筒底流动不足，出现充填不满，无法得到形状尺寸符合要求的锻件；同时避免模锻后期金属向此类锻件长支臂方向和分模面远距离流动，剪断筒形部分与支臂部分交汇处的流线，产生严重的穿流问题，防止穿流现象的发生。保证长支臂及锻件腹板金属流线沿几何外形分布及中心圆筒的成形质量和流线分布。本发明可以应用于主动精准控制此类形状复杂、截面形状变化大的长支臂薄腹板筒形锻件成形过程中金属的流动，解决此类长支臂薄腹板圆筒锻件中经常出现的长支臂筒形交汇部分的流线穿流、紊乱等问题，得到力学性能特别是疲劳性能符合要求的关键构件。

附图说明

图1为设计的预成形毛坯示意图；

图2为图1的A-A向视图；

图3为常规的平底连皮仓模具示意图；

图4为采用平底连皮仓模具成形长支臂薄腹板圆筒出现穿流现象示意图；

图5为鼓形连皮仓模具示意图；

图6为采用鼓形连皮仓成形获得的锻件流线分布示意图；

图7为获得的锻件实物正面图；

图8为获得的锻件实物反面图；

图9为切边和表面清洗后的长支臂薄腹板筒形锻件实物正面图；

图10为切边和表面清洗后的长支臂薄腹板筒形锻件实物反面图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明。

参见图1-图6所示，一种长支臂薄腹板筒形锻件鼓形连皮仓主动控制金属流动成形方法，它包括：

一、计算锻件所需原始坯料：通过有限元数值模拟分析，获得成形最终锻件所需原始棒料；

二、镦粗制坯：将原始棒料加热至400℃-450℃后，在液压机上进行镦粗工序，坯料镦粗至一定高度；

三、镦拔制坯：将镦粗得到的坯料进行自由锻反复镦拔，得到设计要求的预成形毛坯；

四、终锻：对于长支臂薄腹板圆筒的等温模锻成形，在筒内有限型腔空间不能容纳多余金属外，增加鼓形连皮仓主动精确控制大量多余金属，在模锻后期使多余金属向连皮仓内流动，而不向长支臂方向和分模面流动，将圆筒与长支臂型腔填充饱满；

五、将成形得到的锻件切除飞边和表面清洗后，得到长支臂薄腹板筒形锻件。

上述实施方式步骤三中，合理设计终锻模坯料的形状尺寸，对长支臂薄腹板圆筒此类形状复杂、截面形状变化大、组织和性能要求高的复杂模锻件十分重要，考虑此类锻件长支臂、高圆筒、薄腹的特点，既要主动精确控制坯料变形程度和流线分布，又要考虑复杂变形区金属流动情况，基于此，结合有限元数值模拟和物理模拟实验，设计了图1和图2所示的预成形毛坯。将步骤二得到的坯料进行自由锻反复镦拔，获得图1和图2所示的预成形毛坯。

步骤四中对于长支臂薄腹板圆筒的等温模锻成形，现有采用图3所示的平底连皮仓，这种连皮只能控制少量金属的流动，在模锻后期，圆筒部分充满后多余金属主动向长支臂方向和分模面流动，导致金属长程流动，在圆筒和长支臂交汇位置产生图4所示穿流问题，大幅降低锻件的综合力学性能特别是疲劳性能。为了使流线合理分布，主动控制金属的短程流动，提出采用图5所示的鼓形连皮仓，鼓形连皮仓5为带一定拔模斜度的圆柱，外形看近似一个鼓形。步骤四实施方式的上模1和下模2分别设置的上型面和下型面对应合模后形成型腔，型腔3的连皮4处设置为鼓形连皮仓5。在筒内有限型腔空间不能容纳多余金属外，增加鼓形连皮仓主动精确控制大量多余金属，在模锻后期使多余金属向鼓形连皮仓内流动，而不是向长支臂方向和分模面流动，最终得到如图6所示的合理流线分布，如图7和图8所示，将成形得到的锻件切除飞边和表面清洗后，得到长支臂薄腹板筒形锻件，如图9和图10所示。

上述方案得到的长支臂薄腹板圆筒锻件，经力学性能和疲劳性能测试：纵向，抗拉强度达460-480MPa，屈服强度达390-400MPa，延伸率达10％-13.0％；横向，抗拉强度达450-470MPa，屈服强度达380-390Mpa，延伸率达6％-10.2％；高度方向，抗拉强度达430-450MPa，屈服强度达370-380MPa，延伸率达5％-7.5％。

一个实施方式中，图5所示，鼓形连皮仓为带一定拔模斜度的圆柱，鼓形连皮仓的直径为Φ50mm-120mm，高度为40mm-120mm。步骤一中采取的原始棒料尺寸为：外径为Φ150mm-Φ180mm，高度为340mm-390mm，对应步骤二中坯料镦粗至高度为50mm-120mm。经上述步骤制备得到的7075铝合金长支臂薄腹板圆筒锻件，经力学性能和疲劳性能测试：纵向，抗拉强度达468MPa(要求≥455MPa)，屈服强度达396MPa(要求≥385MPa)，延伸率达13.0％(要求≥7.0％)；横向，抗拉强度达459MPa(要求≥440MPa)，屈服强度达380MPa(要求≥370MPa)，延伸率达10.2％(要求≥4.0)；高度方向，抗拉强度达444MPa(要求≥420MPa)，屈服强度达371MPa(要求≥360MPa)，延伸率达7.5％(要求≥3％)。给出疲劳性能2400小时。采用鼓形连皮仓可以得到合理的流线分布，锻件的性能全面符合要求。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。